ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК РАЗНОСТИ ДАВЛЕНИЙ Российский патент 2004 года по МПК G01L9/12 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления в системах контроля и регулирования.

Принципы построения приборов данного класса описаны в книге Агейкина Д.И. “Датчики контроля и регулирования”, Машиностроение, 1965 г., где на с.595 представлены конструктивные особенности датчика разности давлений в системах контроля, регулирования и расхода.

Дифференциальный датчик давления упоминается в издании Siemens Eperyetech..., т.1, №6 за 1979 г., с.2.3.4-2.3.6.

Датчик фирмы Сименс содержит крышку (корпус), шток, металлические мембраны (упругий чувствительный элемент), разделительную трубку, емкостный преобразователь. К числу недостатков указанного датчика относится чрезмерная сложность конструкции с использованием цельного стержня, совершающего сложное поступательно-изгибающее движение, что вносит элемент неопределенности в систему преобразования неэлектрических величин в электрические, особенно в условиях изменения температуры окружающей среды.

Наиболее близким техническим решением является емкостный датчик разности давлений, разработанный научно-исследовательским институтом физических измерений и защищенный патентом РФ №2010198 с приоритетом от 30.03.94 г.

Датчик НИИФИ состоит из корпуса, упругого чувствительного элемента, выполненного в виде гофрированной мембраны, составного штока, приемных штуцеров, разделительной втулки и дифференциального емкостного преобразователя.

Под воздействием разности давлений мембрана с составным штоком перемещается в сторону меньшего давления и перемещает точку закрепления емкостного преобразователя на составном штоке. Это ведет к изменению воздушного зазора между обкладками емкостного преобразователя пропорционально изменению разности давлений.

Недостатком датчика НИИФИ при относительной простоте конструкции является нелинейность характеристики, обусловленной угловым перемещением подвижного электрода между двумя неподвижными, что предопределяет сложность регулировки, связанной с необходимостью расположения неподвижных электродов под углом относительно друг друга.

Консольное закрепление тонкостенной разделительной втулки и штока внутри нее уменьшает виброустойчивость и ударопрочность датчика, а следовательно, сужает область его применения.

При этом компенсация гибкой частью штока изменения линейных размеров мембраны под воздействием температуры окружающей и измеряемой среды явно недостаточна.

Целью изобретения является обеспечение линейности характеристики, повышение вибро- и ударопрочности емкостного датчика.

На чертеже изображен емкостный датчик разности давлений, общий вид в разрезе.

Емкостный датчик разности давлений содержит корпус 1 со штуцером 2, размещенную в корпусе мембрану 3, прижимаемую по периметру к корпусу 1 крышкой 4, несущей штуцер 5. По штуцеру 2 внутрь корпуса 1 поступает давление Р₂, а по штуцеру 5 в подмембранную полость поступает давление Р₁, разность упомянутых давлений и подлежит измерению.

В состав системы, преобразующей величину перемещения мембраны 3 в сигнал, подаваемый на схему преобразования (электрический), включен емкостный преобразователь с двумя неподвижными 6 и 7 изолированными от корпуса 1 и одним подвижным электродом 8, закрепленным на стержне 9. Электрод 8 по отношению к электродам 6 и 7, при наличии механической связи, в составе которой использован стержень 9, между подвижным электродом и мембраной, перемещается плоско-параллельно, что обеспечивает линейность характеристики датчика и простоту регулировки. Стержень 9 жестко присоединен к центру диска 10, который разделяет сильфон, расположенный концентрично по отношению стержня 9 и мембраны 3 на две части 11 и 12.

Часть составного сильфона 11 соединена нижним основанием 13 с корпусом 1 через втулку 14 с окнами, обеспечивающими прохождение выступов диска 10 к переходной перфорированной втулке 15, которая в свою очередь жестко связана с плоским центром 16 мембраны 3.

Вторая часть сильфона 12 соединена с диском 10 одной стороной, другой стороной - с верхним основанием сильфона 17, приваренным к втулке 14 с отверстиями и через нее к корпусу 1. Составной сильфон отделяет емкостный преобразователь от действия одного из измеряемых давлений Р₂.

Емкостный преобразователь закрыт снаружи крышкой 18.

Емкостный датчик разности давлений работает следующим образом.

Давление P₁ подается через штуцер 5 в подмембранную полость, а давление Р₂ через штуцер 2 поступает в надмембранную полость разделенных мембраной 3.

Разность давлений P₁ и Р₂ обуславливает перемещение плоского центра 16 мембраны 3 в ту или другую сторону.

Перфорированная переходная втулка 15, жестко соединенная с диском 10, вызывает перемещение стержня 9 и связанного с ним подвижного электрода 8.

Перемещение электрода 8 изменят величины емкостей между подвижным электродом 8 и неподвижными электродами 6 и 7, что преобразуется электрической схемой в значение разности давлений P₁ и Р₂.

Плоско-параллельное перемещение подвижного электрода 8 относительно неподвижных электродов 6 и 7 обеспечивает линейность характеристики емкостного датчика, гарантируя одновременно простоту регулировки.

Эксплуатационные характеристики предлагаемого датчика разности давлений обуславливаются рациональным подбором параметров мембраны 3, оснащенной плоским центром 16, не меняющей своей жесткости под воздействием разности давлений P₁-Р₂.

В свою очередь, плоский центр мембраны 16 жестко связан с диском 10, закрепленным между подвижньми торцами составного сильфона 11 и 12, находящегося в процессе эксплуатации под воздействием только давления Р₂ с наружной стороны.

Противоположные от диска 10 основания составного сильфона 11, 12 жестко скреплены с корпусом 1, т.е. неподвижны относительно диска 10.

Это обеспечивает существенное повышение собственный частоты колебаний системы, включающей в свой состав мембрану 3 с плоским центром 16, диск 10 и составной сильфон 11, 12, связанный с корпусом 1.

В составе предложенной системы электрод 8 является замыкающим звеном, стабилизация положения которого по отношению к неподвижным электродам 6 и 7 в условиях сильных возмущений, воспринимаемых корпусом 1, и обеспечивается за счет вышеперечисленных элементов конструкции.

Составной сильфон 11, 12 изменяет свою геометрическую форму по отношению к диску 10 под воздействием осевого усилия, развиваемого мембраной 3 от действия перепада давлений Р₁-P₂, не внося каких-либо погрешностей.

Внутренние полости составных частей сильфона 11, 12, соединенных диском 10 в одно целое, через сквозное отверстие в диске 10 связаны друг с другом и полостью емкостного преобразователя.

В результате осуществленных конструктивных преобразований удалось обеспечить достижение следующих параметров, подтвержденных протоколом испытаний: виброустойчивость в диапазоне частот 5-2000 Гц амплитудой ускорений до 30 g.

Использование: изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления в системах контроля и регулирования. Сущность: емкостный датчик разности давлений содержит корпус со штуцером, обеспечивающий подачу одного давления внутрь корпуса в надмембранное пространство, размещенную внутри корпуса мембрану, закрепленную в корпусе при помощи крышки со штуцером для подачи другого давления. Датчик содержит емкостный преобразователь с одним подвижным и двумя неподвижными электродами. В составе механической связи между мембраной и подвижным электродом емкостного преобразователя использован стержень и составной сильфон, расположенный соосно стержню и мембране, со стороны действия измеряемого давления, отделяющий полость емкостного преобразователя прибора от действия этого давления. Нижнее основание составного сильфона соединено с корпусом через втулку с окнами с одной стороны, с другой стороны - с верхним основанием сильфона, приваренным к втулке с окнами. В своей средней части составной сильфон соединен с плоским диском, несущим по оси стержень, связанный с подвижным электродом. Выступы диска, пропущенные через окна во втулке, соединены с плоским центром мембраны посредством перфорированной переходной втулки. Технический результат - обеспечение линейности характеристики, повышение вибро- и ударопрочности емкостного датчика. 1 ил.

Емкостный датчик разности давлений, содержащий корпус со штуцером, обеспечивающим подачу одного давления внутрь корпуса в надмембранное пространство, размещенную внутри корпуса мембрану, закрепленную на корпусе при помощи крышки, снабженной штуцером, обеспечивающим подачу второго давления в подмембранное пространство, емкостный преобразователь с одним подвижным и двумя неподвижными электродами, при наличии механической связи, в составе которой использован стержень, между подвижным электродом и мембраной, отличающийся тем, что мембрана дополнительно оснащена плоским центром, а в состав механической связи мембраны с подвижным электродом емкостного преобразователя включен составной сильфон, расположенный соосно стержню и мембране со стороны действия одного давления, основания составного сильфона соединены с корпусом через втулку с окнами, а в своей средней части составной сильфон с двух сторон соединен с плоским диском, несущим по оси стержень, связанный с подвижным электродом, при этом выступы диска, пропущенные через окна втулки, соединены с плоским центром мембраны посредством перфорированной переходной втулки.